表面光滑、棱角清晰的優(yōu)質(zhì)精密鑄件需要采用優(yōu)質(zhì)的熔模鑄造型殼制造。在熔模鑄造制殼過程中，硅溶膠因不需要化學(xué)硬化、易配成高粉液比的優(yōu)質(zhì)涂料以及所制成的型殼高溫強(qiáng)度好、高溫抗變形能力強(qiáng)，成為熔模鑄造中常用的水基粘結(jié)劑。

1.專業(yè)術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)介紹

一些專業(yè)術(shù)語(yǔ)在化學(xué)領(lǐng)域和鑄造領(lǐng)域的理解不盡相同。為方便討論，統(tǒng)一采用膠體化學(xué)領(lǐng)域的術(shù)語(yǔ) , 且采用狹義的理解。

1.1膠體 

膠體不是一種特殊物質(zhì) , 也不是物質(zhì)的本性 , 而是物質(zhì)存在的一種特殊狀態(tài)。膠體體系以分散相顆粒有一定的大小為特征，膠粒本身與分散介質(zhì)之間有明顯的物理分界面 , 所以膠體體系是兩相或多相的不均勻分散體系。

1.2 溶膠

從膠體的定義看，只要不同聚集態(tài)分散相的顆粒粒徑在1～100 nm之間，在不同狀態(tài)的分散介質(zhì)中都可形成膠體體系。除了分散相與分散介質(zhì)都是氣體而不能形成膠體體系外，其余的8種分散體系均可形成膠體體系。分散介質(zhì)為固體時(shí)，稱為固溶膠；分散介質(zhì)為氣體時(shí)，稱為氣溶膠；而分散介質(zhì)為液體時(shí)，稱為液溶膠或溶膠。 

1.3 凝膠

凝膠也稱凍膠。溶膠中膠體粒子在一定條件下可相互連接，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)空隙中充滿了作為分散介質(zhì)的液體，無(wú)論液體量多少，均將這種失去了流動(dòng)性的分散體系稱作凝膠。

1.4 毛細(xì)管現(xiàn)象 

連續(xù)的分散相構(gòu)成了凝膠的固體骨架，連續(xù)的分散介質(zhì)形成了凝膠的流體部分，構(gòu)成膠體的顆粒尺寸使凝膠具有毛細(xì)管的微觀結(jié)構(gòu)。毛細(xì)管現(xiàn)象是指液體在細(xì)管狀物體內(nèi)側(cè)，由于液體和管壁之間的附著力與液體本身內(nèi)聚力的差異、在垂直細(xì)管內(nèi)上升或下降的現(xiàn)象。 

1.5 膠凝

 一定濃度的溶膠在合適的條件下形成凝膠的過程稱為膠凝。硅溶膠在膠凝過程中，干燥前期膠粒以氫鍵形成毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；干燥后期羥基脫水使氫鍵不斷形成硅氧鍵，膠粒三維增長(zhǎng)。

2. 熔模鑄造型殼微觀結(jié)構(gòu)的形成過程

硅溶膠涂料是粘合劑硅溶膠、耐火材料粉體和少量功能助劑的混合物。硅溶膠熔模鑄造制殼的過程實(shí)質(zhì)上是硅溶膠涂料的膠凝、然后凝膠從 濕凝膠變成干凝膠的過程。干燥過程中毛細(xì)管力的作用使型殼的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了一系列物理和化學(xué)變化，該過程可大體分成4個(gè)階段。

2.1 溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變階段 

硅溶膠涂料浸潤(rùn)模具后，由于涂層表面水分的蒸發(fā)，表面與內(nèi)部間將產(chǎn)生濕度差，內(nèi)部水分在濕度差的推動(dòng)下，以液態(tài)水的形式不斷向表面擴(kuò)散；同時(shí)硅溶膠的膠粒不斷以膠體分散狀態(tài)被析出，析出的二氧化硅膠粒以氫鍵結(jié)合，構(gòu)成骨架，形成連通的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，最后完全喪失流動(dòng)性而轉(zhuǎn)變成凝膠，此時(shí)的凝膠為濕凝膠。

2.2 體積收縮干燥階段 

硅溶膠二氧化硅膠粒形成凝膠的固體骨架，水作為分散介質(zhì)充滿其中。硅溶膠凝膠中的水共有4種存在形式：第一種是靠氫鍵作用直接吸附在二氧化硅膠粒上的水，是羥基形式；第二種是靠親水基團(tuán)吸附在膠粒周圍的極化水層 , 是水合羥基形式；第三種是被二氧化硅膠體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包裹在微孔中的水，是自由水形式，但運(yùn)動(dòng)受阻；第四種是凝膠間隙中的水，是自由水形式。硅溶膠涂料凝膠開始時(shí)骨架很軟，體系中的毛細(xì)管的張力也較小；隨著水分蒸發(fā)和凝膠骨架收縮的進(jìn)行，二氧化硅骨架的機(jī)械強(qiáng)度逐漸增大；當(dāng)骨架中二氧化硅聚集體的剛性強(qiáng)度使骨架不能再繼續(xù)收縮時(shí)，凝膠的結(jié)構(gòu)就被固定了。

2.3 骨架老化階段 

干燥到達(dá)臨界點(diǎn)后，水分蒸發(fā)速度開始進(jìn)一步下降，這時(shí)固體骨架的收縮已經(jīng)停止。該階段孔內(nèi)液體的傳遞主要仍以流動(dòng)方式進(jìn)行，同時(shí)伴隨著蒸汽的擴(kuò)散傳遞。因?yàn)橐后w的蒸發(fā)絕大部分仍在凝膠的表面，即型殼表面進(jìn)行。 

2.4 表干干燥階段 

干燥過程在微觀上是不均勻的，骨架老化階段毛細(xì)孔的內(nèi)壁會(huì)不均勻地分布著塊狀的薄層液體。隨著水分蒸發(fā)的進(jìn)行，外表面到孔內(nèi)蒸發(fā)面的距離越來越遠(yuǎn)，蒸發(fā)推動(dòng)力也越來越小，從而使液體的流動(dòng)逐漸消失，液體在外表面的分布慢慢呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，此時(shí)干燥進(jìn)入表干階段。

3 型殼微觀結(jié)構(gòu)模型的驗(yàn)證

3.1 硅溶膠型殼與硅酸乙酯型殼的特點(diǎn)比較 

毛細(xì)管張力與液體的表面張力成正比。硅溶膠型殼的毛細(xì)孔內(nèi)的液體主要是水；而硅酸乙酯型殼的毛細(xì)孔內(nèi)的液體是醇、水混合液。醇、水混合液的表面張力比水小，相應(yīng)地，毛細(xì)管張力P也較小，凝膠的毛細(xì)孔孔徑較大；而較大的毛細(xì)孔孔徑使硅酸乙酯型殼比硅溶膠型殼具有更好的透氣性。 

3.2 FSⅠ與FS Ⅲ型快干硅溶膠型殼的比較 

FSⅠ型快干硅溶膠是經(jīng)過鋁改性的硅溶膠，膠凝時(shí)間較未改性的硅溶膠短。在凝膠干燥過程中，由于二氧化硅膠粒的過飽和度較高，可產(chǎn)生大量膠核，因這種改性膠核不易長(zhǎng)大，可形成比表面能較大的凝膠，凝膠骨架致密，所以型殼的致密性較好。FS Ⅲ型快干硅溶膠是在FSⅠ型快干硅溶膠中添加有機(jī)高聚物而成。添加高聚物使型殼碎裂或龜裂的幾率大幅減少。